Description du sujet de thèse

Étude du non-equilibre thermique dans l'atmosphère solaire et de ses effets possibles sur la dynamique du vent solaire

Contexte de travail

L'atmosphère externe du Soleil, la couronne solaire, est un environnement chaud et ténu dont la dynamique est contrôlée par l'évolution du champ magnétique. Des structures magnétiquement fermées et ouvertes coexistent dans l'atmosphère solaire, confinant respectivement et formant des boucles coronales, ou lui permettant de s'échapper librement dans le milieu interplanétaire et, ainsi, d'alimenter le vent solaire.

Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre du projet ANR (Agence Nationale de la Recherche) "CROSSWIND - Quel est l'empreinte de la dynamique des structures magnétiquement fermées de l'atmosphère solaire dans le vent solaire? ".

Le but de ce projet est d’étudier les mécanismes de non-équilibre thermique (TNE) et de reconnexion d’inter-échange (ICR) (reconnexion magnétique aux frontières entre les structures de champ fermé et ouvert). Le TNE est un état thermodynamique global qui peut être expliqué par des conditions de chauffage spécifiques : un chauffage stratifié et quasi-stable dans l'atmosphère. Le TNE est observé dans une majorité de boucles coronales dans les régions actives et se manifeste par des cycles d'évaporation-condensation.
Le TNE est donc un processus clé pour le transport de masse et d'énergie dans l'atmosphère solaire. Jusqu'à présent, les conséquences de ce mécanisme sur le vent solaire sont inconnues.

Nous testerons l'hypothèse que le TNE est également présent aux sources du vent solaire. Par exemple, le TNE pourrait contraindre le processus d’ICR en entraînant un ICR cyclique dans les pseudo-streamers, les topologies de type «fan-spine» et aux frontières des régions actives. Il pourrait également injecter de la masse et de l'énergie dans le vent solaire par son interaction avec l'ICR.
Nos deux principaux objectifs sont les suivants (1) caractériser les événements des cycles TNE aux sources du vent solaire et (2) estimer la variabilité du vent solaire induite par les cycles TNE.
Le/la doctorant.e contribuera directement au projet en :

- analysant des simulations magnétohydrodynamiques (MHD) (avec les codes MAS [2] et ARMS [3]) d'une région solaire active, de topologies «fan-spine» et de pseudo-streamers. Il/elle partira de simulations existantes et participera à l'élaboration de nouvelles simulations.
- comparant ses résultats avec les observations des missions spatiales telles que SDO, Solar Orbiter, Hinode, IRIS etc.
- étudiant le lien potentiel entre la dynamique des sources solaires et la variabilité du vent solaire observée in situ (Parker Solar Probe, Solar Orbiter) et avec les imageurs héliosphériques (à bord de Parker Solar Probe, Solar Orbiter, Proba-3, PUNCH etc.)

Prérequis :
- master en physique
- une base solide en astrophysique et/ou physique des plasmas est un plus,
- bases de la programmation Python et IDL. Un niveau avancé est un plus,
- capacité à travailler en équipe,
- autonomie, initiative et curiosité scientifique.

Références :
1. P. Antolin and C. Froment. “Multi-Scale Variability of Coronal Loops Set by Thermal Non-Equilibrium and Instability as a Probe for Coronal Heating”. In: Frontiers in Astronomy and Space Sciences 9 (2022).
2. Z. Mikić et al. “Predicting the corona for the 21 August 2017 total solar eclipse”. In: Nature Astronomy 2.11 (2018).
3. T. Pellegrin-Frachon et al. “ICR dynamics in a solar coronal pseudo-streamer”. In: A&A 675 (2023).

Contraintes et risques

Le Laboratoire de Physique et de Chimie de l’Environnement et de l’Espace (LPC2E), laboratoire spatial situé sur le campus CNRS à Orléans a pour tutelles le CNRS, l’Université d’Orléans et le CNES. Il comporte trois équipes scientifiques dont une qui se concentre sur les relations Soleil-Terre et les plasmas spatiaux. Le laboratoire à une forte compétence en instrumentation spatiale qui va de la conception à la réalisation et à la mise en œuvre d’instruments embarqués sur satellites. Nous développons des instruments qui volent ou ont volés sur des missions telles que Cluster, Solar Orbiter, BepiColombo, Parker Solar Probe.
Le LPC2E est situé en périphérie du centre-ville d’Orléans, une ville de taille moyenne située au bord de la Loire, à une heure de train au sud de Paris. Les conditions de vie sont nettement moins chères à Orléans qu'à Paris. Le campus du CNRS d'Orléans offre un environnement de recherche exceptionnel avec des équipements de pointe.
Le/la doctorant.e rejoindra l'équipe de physique des plasmas spatiaux du LPC2E et plus particulièrement l'équipe du projet CROSSWIND qui est composée d'une chercheuse et d'un postdoc et de collaborateurs internationaux de Predictive Science Inc. à San Diego, USA, de l'Université d'Oslo, Norvège, du LPP à Paris et de l'IRAP à Toulouse.

L'objectif de la thèse est de fournir un programme de formation complet, incluant des aspects pratiques tels que le traitement des données, le développement de compétences d'analyse multi-instruments, et une solide compréhension des processus physiques qui jouent un rôle clé dans la physique solaire.